作者:董光璧 来源: 中国科学报 发布时间:2021-12-9
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科学诞生的标志

 

■董光璧

中文“科学”一词,曾出现在中国宋朝,指代“科举之学”。如经学家陈亮(1143~1194)在其《送叔祖主筠州高要簿序》中有“自科学之兴,世之为士者,往往困于一日之程文,甚至于老死而或不遇”。它的现代含义是英文“Science”的对译。日本人首先做了这样的翻译,意为“分科之学”。Science意义上的科学,是从古代自然哲学中分化出来的一种知识体系,即数学化、实验化、理论化的实证知识体系。这样的知识体系,在古代的主要文明中,已有不同程度的萌芽,唯独希腊文明中的萌芽得以在欧洲发展成为科学。

将科学界定为“数学化、实验化和理论化”的知识体系,实际上也就是视其本质为“探究自然的方法”。“三化”方法在欧洲有其各自的传统,即毕达哥拉斯(前573~前497)和柏拉图(前427~前347)的数学主义传统、亚里士多德(前384~前322)的逻辑主义传统和源于东方炼金术的罗吉尔·培根(1214~1294)的实验主义传统。

科学的诞生和成长正是综合发展这些传统的结果,发展的历史阶段性也与突出发扬其中某一方法的传统密切相关。在这种意义上,科学诞生的标志是,意大利科学家伽利略及其研究方式。

伽利略(1564~1642)出生在意大利比萨的一个没落贵族家庭,父亲芬琴齐奥·伽利莱(1520~1591)精于音乐声学。伽利略在1581年进入比萨大学,先就读医学系,后转哲学系。1585年因经济拮据退学,赴佛罗伦萨任家庭教师并自修数学和物理学。他的论文《关于几种固体重心的计算》(1589年)引起了学界的重视,遂相继受聘比萨大学(1589~1691)和帕多瓦大学(1592~1610),最后任佛罗伦萨托斯卡纳宫廷(1610~1642)首席哲学家和数学家。

伽利略从学生时代起直至临终都在从事科学研究。他发明了浮力天平(1586)和空气温度计(1593),制造了望远镜(1609)和显微镜(1624)。他进行了落体实验(1589)和光速测量(1607)。他发现了单摆周期(1583)和摆线(1690)。他提出了惯性原理和相对性原理(1632)。他发表了落体运动和抛体运动的理论(1638)。他用望远镜观察天体,发现了木星的四颗卫星、太阳表面的黑子和太阳的自转、银河由众多恒星组成以及月面的凹凸不平、金星的盈亏周相和土星外观的特殊性。

他公开出版的《星界信使》(Sidereus Nuncuis,1610)、《关于太阳黑子的书信》(Sunspot Letters,1613)、《试金者》(Saggiatore,1623)和《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》(1632)等论战性的著作捍卫哥白尼学说,导致1633年被罗马教廷以“反对教皇,宣扬邪说”的罪名判处终身监禁。在监禁期间他完成了《关于两门新科学的谈话与数学证明》(以下简称《谈话》,1636),1638年该书在荷兰莱顿出版。在伽利略身后,罗马教廷解除了对哥白尼《天体运行论》的禁令(1759),梵蒂冈教皇保罗二世宣布为伽利略平反(1979)。

后人把科学的诞生归功于伽利略,因为他发展了一种新的研究方式。他的研究方式最典型地体现在他的自由落体运动研究之中。一个静止的物体自由落下,其下落距离s与下落时间t的平方成正比例。这一关于物体自由下落加速现象的陈述,即自由落体定律,现代教科书用数学公式表示为S=gt2/2,g是比例常数,它是重力加速度。这个定律的发现,竟经历了从亚里士多德到伽利略两千多年的历史。

伽利略关于自由落体研究的最早记录出现于他的一本小册子《论运动》(1591)。其中多次提到物体从塔上落下的实验,并对重物同时落地给出自己的解释。在这个问题上伽利略的贡献在于,他凭借数学推理将落体实验转换成斜面实验,从而有可能精确地测量路程和时间的关系。

伽利略在《谈话》中,以定义的形式提出落体的下落速度正比于下落时间,并把它作为公理前提,把平均速度的命题作为定理1,把下落距离正比于下落时间的平方的命题作为定理2,把相继的相等时间里通过的距离从1开始的奇数序列作为一个推论。伽利略从前提(定义)出发利用几何方法证明了定理1,然后再借助定理1继续证明定理2并推导出它的推论,从而得到下落距离同下落时间关系的落体定律。

伽利略像罗吉尔·培根一样,要求对亚里士多德的归纳—演释程序加上第三阶段,对原理提出了实验检验的要求。因为直接由经验检验下落速度同下落时间成正比例存在实际困难,他设想了一个巧妙的斜面实验来检验由原理导出的结论。因为通过延伸斜面或使它的倾角变小,斜面就可以方便地减慢运动,使得人们能够作出关于时间和空间距离关系的可观察量的具体陈述。

伽利略仿照数学的研究程序研究自然,从公理出发通过演绎推论建立新的真理。这个程式沿袭了亚里士多德的逻辑主义传统,但寻求公理的方法伽利略不同于古人。他不再相信很大程度上是发自主观臆测的自明公理,而是到经验和实践中去寻找。他主张由实验获得基本原理并用实验方法去考核推理的结果。他相信从少数关键性实验就能获得正确的基本原理,而且他所谓的实验包括思想实验。这又意味着对罗吉尔·培根实验主义的继承。实现这一研究程序的关键在于寻求量化的公理。亚里士多德和中世纪的科学家却专注于质的讨论。伽利略在其力学研究中,放弃了追究“为什么”运动,而探讨“如何”运动。这意味着放弃对臆测的物理原因和终极原因的追求,着意于对知识的数学公式描述。他的这种描述主义意味着继承了毕达哥拉斯—柏拉图数学主义传统。

伽利略为后继者们提供了可供效仿的研究方式,通过关键性的观察和实验去了解广泛、深刻、简单而又清晰不变的数学原理,然后借助数学演绎从这些基本原理中导出新的自然定律。17世纪关于科学研究的方法的意见,英国哲学家弗朗西斯·培根(1561~1626)和法国哲学家笛卡尔(1596~1650)的对立,为其后科学发展的不同形态埋下了伏笔。他们都认为,科学是一命题的金字塔,其顶端是一般原理。培根期望从这个金字塔的底部开始,通过归纳逐渐上升到顶端。笛卡尔则期望从顶端开始,通过演绎程序尽可能往下研究。其后的历史表明,先是笛卡尔的影响占了上风,使科学走上了数学化的道路。而后才有培根科学的复兴,遂有实验科学地位的确立。

(作者系中国科学院自然科学史研究所研究员)

《中国科学报》 (2021-12-09 第5版 文化周刊)
 
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